MODEL AUTA MONSTER TRUCK

SEMESTRÁLNÍ PRÁCE

AUTOR PRÁCE Bc. Dalibor Filipský

Bc. Jiří Havlíček

VEDOUCÍ PRÁCE Ing. František Burian, Ph.D.

BRNO 2016

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ

ÚSTAV AUTOMATIZACE A MĚŘICÍ TECHNIKY

FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION

DEPARTMENT OF CONTROL AND INSTRUMENTATION

3

Obsah

1 Úvod ..................................................................................................................................... 4

2 Použitý Hardware ................................................................................................................. 5

2.1 RC model ...................................................................................................................... 5

2.2 Arduino Nano ................................................................................................................ 6

2.3 Monster Moto Shield..................................................................................................... 6

2.4 Měření proudu ............................................................................................................... 7

2.5 Měření otáček ................................................................................................................ 7

2.6 Wifi modul ESP 8266-07 .............................................................................................. 8

2.7 FT232 USB UART Board ............................................................................................. 9

2.8 Gamepad ....................................................................................................................... 9

2.9 Držák kamery .............................................................................................................. 10

2.10 Serva pro natáčení kamery ...................................................................................... 10

2.11 Kamera Lamax Action X7 Mira.............................................................................. 11

3 Řízení proudem .................................................................................................................. 12

3.1 Software pro řízení proudem ....................................................................................... 12

3.2 Identifikace proudové části ......................................................................................... 12

3.3 PI regulátor proudu ..................................................................................................... 14

4 Otáčková regulace .............................................................................................................. 16

4.1 Software pro otáčkový regulátor ................................................................................. 16

4.2 Měření otáček .............................................................................................................. 18

4.3 Identifikace otáčkové části .......................................................................................... 20

4.4 PI regulátor otáček ...................................................................................................... 20

4.5 Proudové omezení ....................................................................................................... 22

5 Ovládání serva .................................................................................................................... 23

6 Komunikace........................................................................................................................ 24

6.1 Gamepad a konfigurace............................................................................................... 25

6.2 Získání, zpracování a odesílání dat ............................................................................. 28

7 ESP 8266 - návod k použití ............................................................................................... 30

7.1 Instalace software: ....................................................................................................... 30

7.2 Zapojení desky ............................................................................................................ 33

7.3 Nahrávání do ESP8266: .............................................................................................. 34

8 Hardwarové uspořádání ...................................................................................................... 35

9 DPS pro uložení HARDware ............................................................................................. 36

9.1 Řízení podvozku ......................................................................................................... 36

9.2 Wifi modul .................................................................................................................. 37

10 Zkompletovaný model auta ................................................................................................ 39

10.1 Otestování modelu a natočení doprovodného videa................................................ 41

Závěr ....................................................................................................................................... 42

4

1 ÚVOD

Cílem tohoto projektu bylo navrhnout a realizovat ovládání podvozku modelu

auta Monster Truck za pomoci technologie wifi s využitím modulu ESP8266 a desky

Arduino, za předpokladu, že se model bude ovládat pomocí gamepadu.

První část práce se zabývá demontáží některých komponent ze zakoupeného

modelu a následná montáž námi zvolených komponent sloužících k řízení modelu.

Důležitou částí je i seznámení s jednotlivými hardwarovými prvky, jejich zapojení a

obsluhujícím softwarem.

Ve druhé části se zabýváme řízením motoru a ovládáním servopohonu. Je zde

podrobně popsáno, jak byl navrhnut samotný regulátor otáček a omezovač proudu

motoru.

Třetí část se zabývá návrhem wifi komunikace s využitím gamepadu

připojeného k počítači a doporučeného wifi modulu ESP8266.

Čtvrtá část je zaměřena na vytvoření desek plošných spojů, sloužících k osazení

jednotlivých komponent.

Na závěr byla provedena kompletní montáž auta, doplněna také o kameru

s dvoukloubovým mechanismem natáčení. Následně bylo toto řešení otestováno a na

základě této práce natočeno video, vystihující ovladatelnost a funkčnost tohoto modelu.

5

2 POUŽITÝ HARDWARE

V této kapitole jsou uvedeny veškeré prvky, které byly k realizaci tohoto

projektu využity. Součástí kapitol je taktéž popis těchto součástí společně s jejich

parametry.

2.1 RC model

K realizaci projektu jsme využili RC model auta Monster Truck od firmy

HIMOTO. Provedli jsme demontáž některých částí auta, využili jsme pouze podvozek s

elektromotorem a servem sloužícího k řízení. Byl demontován kryt auta, regulátor a tří

kanálový přijímač.

Obrázek 1 Zakoupený model RC modelu auta od firmy HIMOTO

Obrázek 2 Podvozek auta v originálním provedení

6

2.2 Arduino Nano

K řízení elektromotoru jsme využili desku Arduino Nano, která je kompaktní a

má pro naši potřebu dostatečné množství funkcí a vstupně/výstupních pinů.

Obrázek 3 Arduino Nano

Specifikace Arduino Nano [1]:

Mikrokontrolér: Atmel ATmega168 nebo ATmega328

Provozní napětí (logická úroveň) 5 V

Vstupní napětí (doporučeno) 7-12 V

Vstupní napětí (limitní) 6-20 V

Digitální I/O: 14 (z toho 6 PWM výstup)

Vstupní analogové piny: 8

DC proud I/O pinů 40 mA

Flash paměť 16 KB ( ATmega168 ) nebo 32 KB ( ATmega328 ) z nichž

2 KB používá bootloader

SRAM 1 KB ( ATmega168 ) nebo 2 KB ( ATmega328 )

EEPROM 512 bytů ( ATmega168 ) nebo 1 KB ( ATmega328 )

Taktovací frekvence: 16 MHz

Rozměry: 18.5 x 43mm

Dále Nano obsahuje seriovou TTL komunikaci, vnější přerušení 2 a 3,

podporu SPI a I2C komunikace.

2.3 Monster Moto Shield

Monster Motor Controller Shield pro Arduino je v podstatě můstek k řízení

motorů.

Obrázek 4 Monster moto Shield

7

VNH2SP30 Monster Moto Shield 30A 16V Arduino shield a jeho specifikace:

Napájení: 16V Max

Maximální proud: 30A

PWM do 20kHz

Podpěťová a přepěťová ochrana

Logika: 5V

Rozměry desky: 60mm x 53mm

2.4 Měření proudu

Pro měření proudu protékající elektromotorem jsme použili Arduino Modul

ACS712 20A Senzor.

Obrázek 5 Senzor proudu

Technické parametry:

Čip: ACS712ELC-20A

LED indikátor napájení

Měří +/- 20 A

Rozsah analogového výstupu 100mV / A

Rozměry desky: 31mm x13mm

Pracovní napětí 5V

2.5 Měření otáček

K měření otáček motoru jsme využili dva snímače, kterými jsou Arduino shield

světelná závora a samostatná součástka světelná závora TCST2103.

8

Obrázek 6 Arudino shield světelná závora

Obrázek 7 Světelná závora TCST2103

2.6 Wifi modul ESP 8266-07

Pro příjem wifi a zpracování přijímaných dat vysílaných přes wifi síť z počítače

jsme využili wifi modul ESP 8266 verze 07. Tento modul se vyrábí v různých

provedeních od verze 01 až po verzi 12. My jsme zvolili toto provedení, neboť se téměř

shoduje jak v zapojení tak i programování s nejnovějším ESP modulem 8266 řady 12,

ale na rozdíl od něj má na své desce, kromě integrované antény také umístěn konektor

pro připojení antény externí.

Obrázek 8 ESP 8266-07

Specifikace [2]:

SDIO 2.0, SPI, UART

Integrovaný RF přepínač, balun, 24dBm PA, DCXO, a PMU

Integrovaný RISC procesor, on-chip paměť a externí paměťové rozhraní

QOS management

I2S rozhraní pro Audio

9

Integrované šifrování a zabezpečení WEP, TKIP, AES, a WAPI

Podporuje APSD pro VoIP aplikace

Síť:

802.11 b / g / n

Wi-Fi Direct (P2P), soft-AP

Integrovaný TCP / IP stack

Integrovaný TR switch, balun, LNA

Integrované PLLs, regulátory, DCXO a jednotky pro správu napájení

+ 19.5dBm výstupní výkon v režimu 802.11b

Integrovaný 32-bit CPU může bát použit jako procesor aplikace

SDIO 1.1 / 2.0, SPI, UART

STBC, 1 × 1 MIMO, 2 × 1 MIMO

A-MPDU & A-MSDU agregace a 0.4ms ochranný interval

Spotřeba v pohotovostním režimu <1.0mW (DTIM3)

Podpora 3 režimů: AP, STA, AP + STA

Modul vyžaduje napájení a komunikaci na 3,3V a vlastní zdroj napájení z

důvodu vyšší proudové zátěže - špička až cca 250mA (logování)!

2.7 FT232 USB UART Board

Neboť samotná deska ESP 8266 nemá připojení k USB, je zapotřebí pro

nahrávání do desky dále k desce připojit desku FT232 USB UART Board.

Obrázek 9 FT232 USB UART boart

2.8 Gamepad

Pro ovládání našeho Monster Trucku jsme zvolili levný gamepad A4TECH.

Jedná se o ovladač, který slouží primárně pro připojení k herní konzoli PlayStation. Je

však možné ho též připojit k počítači za předpokladu, že před samotným používáním

provedeme pár kroků, které nám umožní, abychom tento gamepad mohli použít k

ovládání našeho monster Trucku.

10

Obrázek 10 Gamepad A4TECH

2.9 Držák kamery

Tento držák kamery společně s dvěma microservy zajišťuje pohyb kamery všemi

směry. K tomuto účelu byly využity dvě microserva 10g. Držák jsme vyrobili z

překližky o tloušťce 3 mm, který jsme následně opracovali a natřeli syntetickým lakem.

Obrázek 11 Dvouosý držák kamery

2.10 Serva pro natáčení kamery

Pro natáčení kamer jsme zvolili dvojici malých serv (microserv) s označením

Robbe Servo 10g. Tyto serva jsou velmi lehká a rychlá. Jsou vhodná

pro indoor, pomalé a park flyer modely. Lze použít také pro malé vrtulníky.

Servo má rozměr 22,5 x 11, 7 x 23 mm, hmotnost je 10,00 g. Provozní napětí

je 4,8 - 6 V. Rychlost je při 4,8V 0.12 sec/60° a při 6,0V 0.09 sec/60°.

11

Obrázek 12 Robbe Servo 10g pro pohyb kamery

2.11 Kamera Lamax Action X7 Mira

Pro přenos obrazu z modelu jsme využili kameru od firmy Lamax, která

disponuje nespočetným množstvím funkcí. Kamera vodotěsná do 30m. Čip je typu

CMOS a má rozlišení 12Mpx. Kamerou lze natáčet v rozlišení 1080p či 720p. Kamera

má integrovaný 1.5" LCD s extra širokým úhelem záběru 170°. Podporuje až 32GB

MicroSD. Díky integrovanému wifi připojení a aplikaci pro mobilní telefony s

Androidem a iOS lze ovládat kameru na jakkoli nedosažitelném místě a následně

kontrolovat pořízený záznam přímo na obrazovce chytrého telefonu či tabletu. Wifi

přenos obrazu je však limitován vzdáleností.

Obrázek 13 Lamax Action X7 Mira

12

3 ŘÍZENÍ PROUDEM

Tato kapitolka se zabývá proudovou regulací motoru. Bohužel tento regulátor

nebyl ve finální podobě použit.

3.1 Software pro řízení proudem

Software byl vytvořený ve vývojovém prostředí Arduina. Je zde využito

přerušení od časovače, ve kterém se počítá PI regulátor proudu. Z důvodu pomalého

výpočtu PI regulátoru a měření proudu, bylo nutné nastavit frekvenci PWM na 5 kHz.

Obrázek 14 Vývojový diagram programu pro řízení proudem

3.2 Identifikace proudové části

Abychom mohly vytvořit proudovou regulaci, bylo zapotřebí zjistit jaké

parametry má elektrická část motoru. Tyto parametry jsme zjistili z přechodové

charakteristiky motoru.

13

Obrázek 15 Odezva proudu se zablokovaným rotorem

Napětí 880mv odpovídá proudu 8,8 A.

Obrázek 16 Odezva proudu se zablokovaným rotorem se zobrazenou časovou konstantou

Na obr č. 16 můžeme vidět odezvu proudu na jednotkový skok napětí o hodnotě

2,2 V se zablokovaným rotorem motoru. Z této odezvy byl určen přenos soustavy pro

proudovou smyčku. Hodnota 2,2 V odpovídá střídě 28 % s frekvencí 5 kHz.

Soustavu jsme zdiskreditovali pomocí tvarovače nultého řádu.

14

3.3 PI regulátor proudu

Proudový PI regulátor byl navržený v programu Matlab pomoci toolboxu pidtool

s ohledem na fázovou bezpečnost 60°.

Obrázek 17 Teoretická odezva proudové smyčky

Obrázek 18 Praktická odezva proudové smyčky

15

Na obrázku č. 17 vidíme teoretickou odezvu proudové smyčky a na obrázku č.

18 vidíme reálnou odezvu proudové smyčky. Jak je vidět, proud je dost zašuměný, ale i

přesto střední hodnota šumu se rovná žádané hodnotě 7,6 A.

16

4 OTÁČKOVÁ REGULACE

Pro řízení motoru byla zvolena otáčková regulace, kde akční zásah regulátoru je

střída PWM signálu. První myšlenkou bylo vytvořit kaskádní regulaci proudové a

otáčkové smyčky, což se nám bohužel nepodařilo.

4.1 Software pro otáčkový regulátor

Software byl vytvořený ve vývojovém prostředí Arduina. V hlavní smyčce je

provedena otáčková regulace a využíváme zde přerušení od časovače a od vstupů

otáčkových snímačů. V programu je ošetřeno proudové přetížení motoru, odpojení

motoru při ztrátě komunikace a omezení žádané rychlosti. Je zde ošetřený akční zásah

spolu s integrační složkou, který dává PI regulátor otáček. Měření otáček je realizované

pro nízké a vysoké otáčky. Frekvence PWM byla zvolena 20 kHz, což je maximální

hodnota frekvence, kterou motor shield zvládá.

17

Obrázek 19 Vývojový diagram softwaru pro otáčkovou smyčku

18

4.2 Měření otáček

Otáčky měříme pomocí dvou IR závor. Paprsek IR závory přerušuje plastový

kotouč se dvěma výřezy. Plastový kotouč je připevněný k ozubenému kolu na rotoru

motoru viz obr. č. 20. Plastový kotouč byl vyroben pomocí soustruhu.

Obrázek 20 Detail upevnění plastového kotoučku na rotor motoru

Obrázek 21 Upevnění světelných snímačů

19

Obrázek 22 Měřené otáčky v jednom směru

Obrázek 23 Měřené otáčky v druhém směru

Na obr č. 22, 23 vidíme průběhy ze snímačů pro jeden a druhý směr otáčení.

Směr je rozlišován dle polohy žlutého pulsu k druhému průběhu. Nachází-li se žlutý

puls v první polovině modré periody, točíme jedním směrem. Je-li žlutý puls v druhé

polovině modré periody, motor se otáčí druhým směrem. Viz obr č. 19, kde je

podrobnější programový popis.

Rychlost přepočítáváme na km/h dvojím způsobem. Pro malé otáčky pod 4 km/h

měříme čas od pulzu k pulzu a pro vysoké otáčky počítáme pulzy za čas 200 ms.

K přepočtu na km/h vycházíme z obvodu kola, převodu na hřídel motoru a počtu

impulsů na jednu otáčku motoru.

20

4.3 Identifikace otáčkové části

K identifikaci otáčkové části byl v procesoru vytvořen tzv. „buffer“, do kterého

se v každé vzorkovací periodě zapisovala data o otáčkách a napětí, které pouštíme na

motor v podobě PWM signálu. Na obr. č. 24 můžeme vidět tyto zaznamenaná data,

které se nám po určité době vypsaly v tzv. seriál monitoru.

Obrázek 24 Odezva otáček motoru na jednotkový skok napětí

Seriál monitor je součástí prostředí Arduina. Za pomoci toolboxu ident

v matllabu byla identifikována soustava z naměřených dat.

4.4 PI regulátor otáček

Pro soustavu Fw_d byl navržen PI regulátor pomocí nástroje „pidtool“.

21

Obrázek 25 Teoretická odezva otáčkové smyčky

Obrázek 26 Praktický odezva otáčkové smyčky akční zásah v podobě napětí

Na obr. č. 25 vidíme teoretickou odezvu otáčkové smyčky. Na obr. č. 26 je

zobrazena praktická odezva otáčkové smyčky spolu s žádanou hodnotou otáček a

akčním zásahem. Hodnoty byly zaznamenány ve funkci, která řeší otáčkový regulátor.

Po zaplnění vytvořeného „bufferu“ byly hodnoty vypsány pomocí seriál monitoru. Díky

nelinearitě typu tření se otáčky zvyšují, až od určitého napětí viz obr. č. 26.

22

Obrázek 27 Proud motorem při využité otáčkového regulátoru

Na obr č. 27 vidíme průběh proudu, který odpovídá hodnotám z obr č. 26.

Použitím otáčkové smyčce nevznikají proudové nárazy, které jsou běžné u ovládání

motoru napětím.

4.5 Proudové omezení

Na obr č. 28 můžeme vidět ošetření proti proudovému přetížení, které je

nastavené na +-18,4 A.

Obrázek 28 Omezení proudu v případě že se zablokuje rotor

V případě, že je překročen limitní proud, připojí se na motor nulové napětí a

vynuluje se integrační složka otáčkového PI regulátoru. Viz obr. č. 19 softwarové

schéma otáčkové smyčky.

23

5 OVLÁDÁNÍ SERVA

Aby bylo zajištěno natočení kol, změřili jsme si signál, který vycházel z RC

přijímače pro ovládání servopohonu. Takový signál jsme implementovali do Arduina a

ten nám zajištuje plynulý chod serva.

Obrázek 29 Zobrazení použité frekvence pro servo

Obrázek 30 Levá krajní poloha serva ovládání kol

Obrázek 31 Pravá krajní poloha serva ovládání kol

Na obr. č. 29 - 31 vidíme průběhy generované pro pohyb serva signál má

frekvenci 50 Hz. Šířkou pulsu 1 ms – 2 ms se natáčí servo 0 -180°.

24

6 KOMUNIKACE

Komunikace mezi operátorskou stanicí a samotným modelem auta je důležitou

částí pro ovládání modelu. Operátorská stanice se skládá z počítače (notebooku) a k

němu připojeného gamepadu. Údaje z gamepadu jsou pomocí matlabu získávány do

prostředí simulinku, kde jsou dále zpracovány a pomocí UDP protokolu zaslány přes

wifi síť, kterou jsme vytvořili pomocí programu „Connectify Hotspot 2016“ na počítači,

do modulu ESP 8266. Modul, který je správně nastaven přijme zprávu od počítače a

předá ji pomocí sériové linky do zařízení Arduino Nano. Po předání do Arduino Nano,

je vyvoláno v zařízení přerušení od sériové linky, data jsou rozšifrována a použita k

ovládání regulátoru, serva pro řízení a serv pro náklon kamery Lamax. Kamera Lamax

má vestavěnou funkci Wifi, kdy si vytvoří vlastní wifi síť, ke které se pomocí chytrého

telefonu či tabletu připojíme a s použitím programu Lamax, dostupného zdarma pro

android lze kameru ovládat. Po připojení ke kameře máme současně k dispozici obraz,

který může sloužit k ovládání auta v případě, že model nemáme nadohled, nebo může

soužit k monitorování a natáčení prostředí, ve kterém se model nachází. Princip

komunikace plně vystihuje obr. č. 32.

Obrázek 32 Přenos signálů

25

6.1 Gamepad a konfigurace

Jak už bylo zmíněno, abychom mohli tento levný gamepad využít k ovládání

modelu, je zapotřebí si nejprve stáhnout program pro emulaci gamepadu „ MotionJoy“ ,

který se nainstalujeme do našeho počítače. Zatím však gamepad nepřipojujeme. Na

ploše se nám vytvoří spouštěcí ikona s názvem „DS3Tool“. Otevřeme si tento program

jako správce a zobrazí se nám následující prostředí emulátoru.

Obrázek 33 Úvodní obrazovka programu DS3Tool

Následně připojíme gamepad k USB portu. Zásadním problémem, nad kterým

jsme se poměrně dlouho zdrželi bylo to, že po připojení gamepadu k bežnému portu

USB 2.0 není zařízení detekováno a je zapotřebí jej připojit k USB 3.0. O tomto

problému však nebyla nikde žádná zmínka a je to celkem zásadní věc. Poté, co jsme

připojili gamepad k USB 3.0, je zařízení detekováno a v kolonce „Connected game

controller(s):“ se objeví gamepad s označením „1.Dualshock 3/sixaxis (USB)“. V

nabídce „Select one mode“ zatrhneme možnost „PlayStation 2 (POV, joisticks)“.

Následně se přepneme do záložky „Driver Manager“.

Obrázek 34 Načtení ovladačů

Zde se nám objeví tyto dva ovladače, které je zapotřebí označit a nainstalovat.

Pokud máme oba ovladače nainstalované a v sloupci „MotioninJoy“ jsou zeleně

26

označené, tyto ovladače označíme a zvolíme možnost „Load driver“ a chvíli vyčkáme

než se tyto ovladače zavedou.

Obrázek 35 Načtení ovladačů

V tomto momentě máme ovladače načtené a můžeme gamepad začít

využívat. Přepneme si zpět do záložky „Profiles“ a stiskneme „Game Controller Panel“.

Objeví se nám stav herního zařízení a v možnosti „Vlastnosti“ si lze ověřit funkce

tohoto gamepadu.

Obrázek 36 Konfigurace jednotlivých tlačítek gamepadu

27

Zde je dále vidět, jakou funkci má které tlačítko na gamepadu a co jimi

ovládáme. Tyto funkce využíváme při jízdě autem.

Na obrázku č. 38 je zobrazen námi využívaný gamepad společně s detailním

popsáním funkcí jednotlivých používaných tlačítek.

Obrázek 37 Funkce tlačítek gamepadu

28

6.2 Získání, zpracování a odesílání dat

Pro získávání dat z připojeného gamepadu jsme využili prostředí Matlabu

Simulink. Na obrázku č. 39 je zobrazeno zapojení, které nám zajišťuje sběr dat z

gamepadu, převod těchto signálů do ASCI kódu v přesně námi definovaném tvaru a

následné zaslání v daný okamžik pomocí wifi sítě pomocí protokolu UDP do zařízení

ESP 8266.

Obrázek 38 Model získávání dat gamepadu a odesílání do ESP zařízení

Data z gamepadu definujeme do tvaru (obr. č. 39):

R(rychlost)P(natočení kol)S(data pro kameru a řazení rychlostního stupně)K

Znak K slouží jako ukončovací znak.

29

Obrázek 39 Převod dat

Dále bylo důležité správně nastavit blok UDP Send, kde se vložila IP adresa

příjemce a port.

Obrázek 40 Nastavení bloku UDP Send

30

7 ESP 8266 - NÁVOD K POUŽITÍ

Z důvodu nedostatku přesných a ověřených informací o zapojení a správné

manipulaci s wifi modulem ESP 8266, jsme v naší práci vytvořili právě tuto kapitolu,

která slouží spíše jako návod, jak správně se zařízením pracovat. Je zde přesně popsáno

jak modul připojit k napájení, jak jej připojit k počítači a nahrát námi napsaný program.

Jsou zde také uvedeny programy, které se k práci s modulem využívají a jejich

nastavení.

7.1 Instalace software:

Nejprve si nainstalujeme starší verzi softwaru „Arduiono“ ve verzi 1.6.5. Tento

software si stáhneme z této adresy:

"https://www.arduino.cc/en/Main/OldSoftwareReleases"

Tento software následně nainstalujeme.

Natavení a stažení knihovny pro ovládání ESP 8266 [3]:

1. File > Preferences

2. Do pole "Additional Boards Manager URLs" nakopírujeme tuto dresu:

http://arduino.esp8266.com/stable/package_esp8266com_index.json"

Obrázek 41 Natavení knihovny pro ESP 8266

3. Následně otevřeme Tools > Board > Boards Manager

31

Obrázek 42 Otevření "Board Manager"

4. Sjedeme dolů v nabídce a nainstalujeme: “esp8266 by ESP8266 Community”

Obrázek 43 Instalace desky esp8266

5. Dále pak otevřeme v nabídce Tools > Board > Generic ESP8266 Module

32

Obrázek 44 Zvolení boardu

6. Důležité je též nastavit správný COM port, který zjistíme ve "správci

zařízení". Také je dobré pro rychlejší nahrávání zvýšit rychlost z 9600 na tu

nejvyšší. V případě, že Pc nerozená připojené zařízení, musíme ve správci

zařízení dát na neznámý port vyhledat ovladač, a zadat cestu C:PROGRAM

FILES/ARDUINO/DRIVERS a zaškrtnout políčko "Včetně podsložek" .

Obrázek 45 Správce zařízení - zjištění portu

Obrázek 46 Správné nastavení jednotlivých parametrů (vývojová deska, upload, speed a port)

33

7. Nyní je program Arduino 1.6.5 připraven k vytváření a nahrávání programů

do ESP 8266.

7.2 Zapojení desky

K tomu, abychom mohli do zařízení ESP 8266 nahrávat programy, musíme k

ESP připojit desku FT232 USB UART Board. Pomocí tohoto boardu připojeného k

počítači nahráváme programy do ESP 8266. Také je dobré mít ESP připojené přes

stabilizátor napětí, a nenapájet ho přímo z UART Boardu, neboť často dochází vlivem

velkých proudů ke spálení modulu ESP.

Obrázek 47 Zapojení modulu ESP 8266 E 12 a UART boardu

Rozmístění pinů na boardu ESP 8266 E-12:

Obrázek 48 Rozmístění pinů na desce ESP

34

7.3 Nahrávání do ESP8266:

Chceme-li do ESP nahrát nový program, nejdříve odepneme desku od napájení.

Dále pin GPIO0 propojíme se zemí GND a necháme jej připojený (deska je v tzv.

boatloaderu) viz obr. č. 47. Následně opět zapneme napájení a stisknutím tlačítka v

softwaru Arduino nahrajeme program do desky. Během nahrávání do ESP bliká dioda

na desce a signalizuje tak nahrávání do flash. Poté, co je nahrávání ukončeno opět

odepneme desku od napájení, rozpojíme pin GPIO0 od GND a necháme odpojené

(klasický pracovní režim boardu). Dále zapojíme napájení a deska je připravena k

použití. Někdy je zapotřebí provést reset zařízení, připojení svorky RST na GND. Na

následujícím obrázku je jednoduchý program pro rozblikání interní diody, která je

připojena k pinu GPIO2 přes 470 Ohmový interní rezistor.

Obrázek 49 Ukončení nahrávání, které proběhlo úspěšně

Námi vytvořený program, který je nahrán do modulu je součástí příloh, je zde

přesně popsáno, co který příkaz zajišťuje.

35

8 HARDWAROVÉ USPOŘÁDÁNÍ

Na obrázku č. 50 je zobrazeno hardwarové uspořádání jednotlivých prvků modelu auta.

Obrázek 50 Hardwarové uspořádání

36

9 DPS PRO ULOŽENÍ HARDWARE

Námi vytvořené řešení řízení modelu auta obsahuje několik hardwarových

součástí, které jsme se rozhodli pro jednodušší uspořádání a propojení umístit na námi

navrženou, vyrobenou a osazenou DPS.

Vytvořili jsme dvě samostatné desky, jedna deska obsahuje součástky potřebné

pro řízení podvozku a druhá součástky zajišťující wifi komunikaci.

9.1 Řízení podvozku

Jedná se o větší desku, na které jsou umístěny tyto komponenty: Arduino Nano,

stabilizátory na 5 V a 3,3 V, motor shield. K desce jsou připojeny i snímač proudu,

snímače otáček a jednotlivé servopohony.

Obrázek 51 Součástky na DPS pro řízení podvozku

Obrázek 52 DPS pro řízení podvozku

37

Obrázek 53 Schéma komponent pro řízení motoru

9.2 Wifi modul

Obrázek 54 Schéma zapojení DPS pro wifi modul ESP

38

Obrázek 55 DPS pro wifi modul ESP

39

10 ZKOMPLETOVANÝ MODEL AUTA

Na závěr jsme provedli kompletní montáž všech zařízení uvedených a

popsaných v naší práci na podvozek modelu Monster Truck.

Obrázek 56 Komplexní pohled na model

Obrázek 57 Pohled na model zepředu

40

Obrázek 58 Pohled na model shora

Obrázek 59 Pohled na dvouosý mechanizmus natáčení kamery

41

10.1 Otestování modelu a natočení doprovodného videa

Na základě testování modelu, jsme natočili krátké video, které vystihuje téměř

veškeré funkce modelu ovládaného přes wifi. Model jsme otestovali ve volném

prostranství, kde nedocházelo k žádnému rušení sítě wifi.

Byly předvedeny tyto funkce:

Pojezd modelu směrem vpřed a vzad

Řazení rychlostního stupně auta při pojezdu vpřed a vzad

Pojezd vpřed a funkce brzdy před překážkou

Zatáčení modelu a slalom mezi kužely

Jízda s mapováním terénu (natáčení kamery)

Volná jízda, ve které byla předvedena ovladatelnost modelu

Natočili jsme jednotlivé záběry, vystihující ovladatelnost modelu a vytvořili

video. Ke střihu videa jsme použili program "Pinnacle Studio 14". Jedná se o

videoeditor pro kompletní práci s domácími nahrávkami. V několika krocích lze projít

od stažení videa do počítače ze záznamového zařízení, přes střih a editaci až po

vypálení na DVD či Blu-ray. Jednoduchou a přehlednou formou se zde dají vytvořit

titulky, ve schématu snímek sestříhat, doplnit o přechodové efekty, animace i filtry.

Obrázek 60 Prostředí programu Pinnacle Studio 14

42

Závěr

V této semestrální práci bylo navrženo ovládání podvozku modelu auta Monster

Truck pomocí technologie wifi. Zakoupený RC model byl do jisté míry demontován a

byly využity námi navržené komponenty, které zajišťují řízení motoru a ovládání serv,

které slouží k ovládání modelu pomocí sítě wifi.

V první části bylo nutné se seznámit s nově používaným hardwarem. Bylo nutné

jednotlivé hardwarové prvky samostatně otestovat a naučit se s nimi do jisté míry

pracovat.

Byla vytvořena otáčková regulace RC auta s omezením proudu, ovládání serv

pro zatáčení modelu a pro mechanismus náklonu kamery umístěné v zadní části modelu,

z důvodu přehledu nad celým ovládaným modelem.

Další částí bylo vytvořit wifi komunikaci mezi operátorským stanovištěm a

modelem auta. Opět bylo zapotřebí se nejprve seznámit s používaným hardwarem a

následně byla vytvořena wifi komunikace, pomocí které je možno model ovládat za

pomoci gamepadu a počítače.

Jednotlivé hardwarové prvky byly následně nasazeny a implementovány na

podvozek modelu, byly pro ně vytvořeny i vlastní DPS.

Toto navržené řešení bylo následně otestováno, bylo natočeno i doprovodné

video, kde je předvedena plynulá ovladatelnost modelu.

43

Literatura

[1] Arduino shop: Arduino Nano [online]. [cit. 2016-04-12].

Dostupné na URL: < http://arduino-shop.cz/arduino-vyvoj-desky-/823-arduino-nano-v30-

atmega328-zakladni-deska-kompatibilni.html >

[2] ESP 8266 community wiki: Modules [online]. [cit. 2016-04-12].

Dostupné na URL:

< http://www.esp8266.com/wiki/doku.php?id=esp8266-module-family >

[3] Random nerd tutorials: How to Install the ESP8266 Board in Arduino IDE [online].

[cit. 2016-04-20]. Dostupné na URL:

< http://randomnerdtutorials.com/how-to-install-esp8266-board-arduino-ide/ >

[4] BLÁHA, P a VAVŘÍN, P.: Řízení a regulace 1. Vysoké učení technické v Brně,

2005, 212 s

[5] SKALICKÝ, J. Elektrické regulované pohony. Brno : VUT Brno, 2007.

44

Seznam obrázků

Obrázek 1 Zakoupený model RC modelu auta od firmy HIMOTO ................................. 5

Obrázek 2 Podvozek auta v originálním provedení .......................................................... 5

Obrázek 3 Arduino Nano .................................................................................................. 6

Obrázek 4 Monster moto Shield ....................................................................................... 6

Obrázek 5 Senzor proudu ................................................................................................. 7

Obrázek 6 Arudino shield světelná závora ....................................................................... 8

Obrázek 7 Světelná závora TCST2103 ............................................................................. 8

Obrázek 8 ESP 8266-07 .................................................................................................... 8

Obrázek 9 FT232 USB UART boart ................................................................................ 9

Obrázek 10 Gamepad A4TECH ..................................................................................... 10

Obrázek 11 Dvouosý držák kamery ................................................................................ 10

Obrázek 12 Robbe Servo 10g pro pohyb kamery ........................................................... 11

Obrázek 13 Lamax Action X7 Mira ............................................................................... 11

Obrázek 14 Vývojový diagram programu pro řízení proudem ....................................... 12

Obrázek 15 Odezva proudu se zablokovaným rotorem .................................................. 13

Obrázek 16 Odezva proudu se zablokovaným rotorem se zobrazenou časovou

konstantou ....................................................................................................................... 13

Obrázek 17 Teoretická odezva proudové smyčky .......................................................... 14

Obrázek 18 Praktická odezva proudové smyčky ............................................................ 14

Obrázek 19 Vývojový diagram softwaru pro otáčkovou smyčku .................................. 17

Obrázek 20 Detail upevnění plastového kotoučku na rotor motoru ............................... 18

Obrázek 21 Upevnění světelných snímačů ..................................................................... 18

Obrázek 22 Měřené otáčky v jednom směru .................................................................. 19

Obrázek 23 měřené otáčky v druhém směru .................................................................. 19

Obrázek 24 Odezva otáček motoru na jednotkový skok napětí ...................................... 20

Obrázek 25 Teoretická odezva otáčkové smyčky ........................................................... 21

Obrázek 26 Praktický odezva otáčkové smyčky akční zásah v podobě napětí .............. 21

Obrázek 27 Proud motorem při využité otáčkového regulátoru ..................................... 22

Obrázek 28 Omezení proudu v případě že se zablokuje rotor ........................................ 22

Obrázek 29 Zobrazení použité frekvence pro servo ....................................................... 23

Obrázek 30 Levá krajní poloha serva ovládání kol ........................................................ 23

Obrázek 31 Pravá krajní poloha serva ovládání kol ....................................................... 23

Obrázek 32 Přenos signálů ............................................................................................. 24

Obrázek 33 Úvodní obrazovka programu DS3Tool ....................................................... 25

Obrázek 34 Načtení ovladačů ......................................................................................... 25

Obrázek 35 Načtení ovladačů ......................................................................................... 26

45

Obrázek 36 Konfigurace jednotlivých tlačítek gamepadu .............................................. 26

Obrázek 37 Funkce tlačítek gamepadu ........................................................................... 27

Obrázek 38 Model získávání dat gamepadu a odesílání do ESP zařízení ...................... 28

Obrázek 39 Převod dat .................................................................................................... 29

Obrázek 40 Nastavení bloku UDP Send ......................................................................... 29

Obrázek 41 Natavení knihovny pro ESP 8266 ............................................................... 30

Obrázek 42 Otevření "Board Manager" .......................................................................... 31

Obrázek 43 Instalace desky esp8266 .............................................................................. 31

Obrázek 44 Zvolení boardu ............................................................................................ 32

Obrázek 45 Správce zařízení - zjištění portu .................................................................. 32

Obrázek 46 Správné nastavení jednotlivých parametrů (vývojová deska, upload, speed a

port) ................................................................................................................................. 32

Obrázek 47 Zapojení modulu ESP 8266 E 12 a UART boardu ..................................... 33

Obrázek 48 Rozmístění pinů na desce ESP .................................................................... 33

Obrázek 49 Ukončení nahrávání, které proběhlo úspěšně .............................................. 34

Obrázek 50 Hardwarové uspořádání ............................................................................... 35

Obrázek 51 Součástky na DPS pro řízení podvozku ...................................................... 36

Obrázek 52 DPS pro řízení podvozku ............................................................................ 36

Obrázek 53 Schéma komponent pro řízení motoru ........................................................ 37

Obrázek 54 Schéma zapojení DPS pro wifi modul ESP ................................................ 37

Obrázek 55 DPS pro wifi modul ESP ............................................................................. 38

Obrázek 56 Komplexní pohled na model ....................................................................... 39

Obrázek 57 Pohled na model zepředu ............................................................................ 39

Obrázek 58 Pohled na model shora ................................................................................ 40

Obrázek 59 Pohled na dvouosý mechanizmus natáčení kamery .................................... 40

Obrázek 60 Prostředí programu Pinnacle Studio 14 ....................................................... 41

46

Seznam příloh

Veškeré přílohy jsou součástí doprovodného CD.

Příloha 1. Program pro ESP 8266 - esp8266.ino

Příloha 2. Program pro matlab - gamepad_UDP.mdl

Příloha 3. Program pro Arduino Nano - nano.ino

Příloha 4. Videoukázka ovladatelnosti modelu